Development, testing and analyses of morphing corrugated composite laminates for aerospace applications

A study on composite corrugated laminates for morphing application is herein presented, the aim is exploit the potential of such elements to develop innovative morphing structures and to investigate manufacturing technologies and numerical prediction technique to effectively design real world morphing structures. Particularly, the research is focused on the behavior of a composite corrugated tube for morphing structure in the space field. The aim is to develop a tubular component with an adequate bending compliance which is capable of macroscopic bending deflection but, at same time, can still carry axial loads. Many types of tube configuration are tested through numerical model, changing materials and lay-up sequences, to find out the best configuration. In order to predict the performances of the corrugated composites, finite element models are developed with cohesive elements. The numerical models are able to predict the interlaminar damage onset in the corrugated sheets and in the corrugated tube. The models are validated correlating the results with experimental tests. Hence, planar and tubular corrugated laminates are manufactured and tested. The results show that the numerical models are reliable but the exact mechanical properties of the components are needed.

La presente relazione di tesi analizza il comportamento di materiali compositi corrugati. L'obiettivo è quello di sfruttare il potenziale di tali elementi per sviluppare strutture morphing da applicare nel settore aerospaziale. Durante il lavoro vengono indagate le tecnologie di produzione dei corrugati e vengono sviluppati diversi modelli numerici allo scopo di progettare le strutture in maniera efficace e di predirne il comportamento. In particolare, la tesi si occupa della progettazione e sviluppo di un tubo corrugato in composito, l'obbiettivo è di ottenere un componente che abbia flessibilità flessionale ma che, allo stesso tempo, possa reggere carichi assiali. Tale oggetto può essere utilizzato nel settore spaziale come struttura di un ugello morphing oppure come giunto assiale per il posizionamento di antenne o telescopi imbarcati su satelliti. Modelli numerici sono sviluppati, utilizzando il codice ad elementi finiti Abaqus, per poter progettare il tubo secondo la configurazione migliore. Sono analizzate le criticità tecnologiche riguardanti la produzione di strutture corrugate, vengono prodotti sia provini corrugati piani che un prototipo del tubo corrugato. I primi sono testati a trazione fino ad avvenuta delaminazione del laminato, mentre il secondo è sottoposto ad una prova flessionale senza però portare a rottura il componente. I risultati sperimentali sono poi correlati con quelli numerici. I primi modelli sviluppati sono modelli non lineari che predicono il comportamento dei corrugati solo in campo elastico. In seguito, nei modelli numerici, viene introdotta una legge di danno per poter cogliere il comportamento delle strutture quando il laminato è danneggiato. Il metodo utilizzato si basa su una mesh ibrida che utilizza nello spessore sia elementi di piastra che solidi, i primi hanno le proprietà nel piano del laminato mentre i secondi le proprietà in direzione fuori dal piano. A questi ultimi viene associata una legge costitutiva con un parametro di danneggiamento in modo da simulare la degradazione delle proprietà del materiale. I risultati numerici dei corrugati planari sono correlati con le prove sperimentali eseguite e con altre prese da letteratura, si ottiene una buona correlazione tra i modelli anche se è necessaria una calibrazione dei parametri non conoscendo tutte le caratteristiche meccaniche dei manufatti finali. Dai risultati del modello del tubo corrugato si ottiene che il componente può raggiungere grandi angoli di deflessione senza che insorgano delaminazioni ma, non avendo risultati sperimentali, il modello non può essere validato e quindi si tratta solo di una predizione.